Лекция № 2 Электровакуумные приборы. Клистроны. Магнетроны.
План лекции
1. Особенности клистронов и их разновидности.
2. Пролетные двухрезонаторные клистроны.
3. Многорезонаторные усилительные клистроны.
4. Клистроны с распределенным взаимодействием и твистроны.
5. Отражательные клистроны.
6. Классические многорезонаторные магнетроны.
7. Коаксиальные и обращенные магнетроны.
8. Магнетроны, настраиваемые напряжением.
9. Релятивистские магнетроны.
1. Особенности клистронов и их разновидности
Основная особенность клистрона связанна с модуляцией электронов по плотности, образованием волн конвекционного тока и отбором энергии от электронных сгустков, поступающих в зазор выходного резонатора.
В клистронах используют принцип динамического управления электронным потоком. Группировка электронов в плотные сгустки обеспечивается в них за счет скоростной модуляции электронного потока. Устройство для модуляции электронов по скорости показано на рис. 1. Оно содержит источник электронов 1 (катод или электронную пушку), ускоряющий электрод 2, обеспечивающий постоянную (среднюю) скорость электронов υ0, и резонатор 3. в котором под действием высокочастотного электрического поля электроны модулируются по скорости в зависимости от того, в какую фазу поля (тормозящую или ускоряющую) они попали в зазоре резонатора. Частота модуляции ω соответствует частоте сигнала, поступающего на вход резонатора, и поэтому скорости промоделированных электронов определяются выражением υ = υ0 + υ1 sin ωt, где υ1 - амплитуда переменной составляющей скорости, зависящая от глубины модуляции.
После пролета резонатора модуляция электронов по скорости переходит в модуляцию по плотности, т.е. электроны группируются в сгустки. Глубина модуляции электронов по плотности определяется временем пролета электронов, покинувших резонатор, которое должно быть оптимальным.
Клистроны бывают двух основных разновидностей - пролетные и отражательные. Они отличаются способами группировки электронов, вылетевших из резонатора. В пролетном клистроне электроны группируются в расположенной после резонатора трубе дрейфа, в которой отсутствует электрическое поле, а в отражательном клистроне группировка происходит в пространстве между резонатором и отрицательным электродом - отражателем в постоянном тормозящем поле.
Рис. 1. Схема устройства для модуляции электронного потока
При группировке электронов методом дрейфа в конце трубы дрейфа размещают второй резонатор, которому электронные сгустки передают свою энергию. При группировке методом постоянного тормозящего поля электроны в виде сгустков возвращаются к модулятору и передают свою энергию тому же резонатору, которым они были промодулированы по скорости. В обоих методах используют время пролета электронов в трубе дрейфа или в тормозящем поле, принципы наведения высокочастотного поля в зазоре резонатора, отбор энергии от промодулированного электронного потока и разделение функций электродов.
В пролетных клистронах может быть более двух резонаторов, поэтому их подразделяют на двухрезонаторные и многорезоиаторные. Отражательные клистроны в основном имеют однорезопаторную конструкцию.
Используются еще гибридные приборы, в которых наряду с кратковременными взаимодействиями в «клистронных» резонаторах происходит длительное взаимодействие в ЗС. К таким приборам относится твистрон, состоящий из двух основных секций: входной в виде многорезонаторного клистрона и выходной в виде ЛБВ.
К пролетным клистронам относятся также клистроны с распределенным взаимодействием (КРВ), созданные на основе многозазорных резонаторов.
Клистроны используют как генераторы, усилители и умножители частоты. Их разрабатывают практически для любого поддиапазона сверхвысоких частот. Значения их выходной мощности, к.п.д. и коэффициента усиления не уступают значениям этих параметров у приборов других типов, а в ряде случаев даже их превосходят.